bab fisika atom

1
BAB
FISIKA ATOM
Perkembangan teori atom
Model Atom Dalton
1. Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibagi-bagi
2. Atom-atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi atom unsur
lain. Misalnya atom perak tidak dapat berubah menjadi atom besi.
3. Dua atom atau lebih dari unsur-unsur berlainan dapat membentuk suatu molekul.
Misalnya atom hidrogen dan atom oksigen bersenyawa membentuk molekul air (H2O)
4. Pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah kemudian bergabung dengan
susunan yang berbeda dari sebelumnya, tetapi massa keseluruhannya tetap
5. Pada reaksi kimia, atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu yang
sederhana.
Model ini gagal dengan ditemukannya elektron oleh Thomson
Model Atom Thomson
1. Atom berbentuk bulat padat dengan muatan listrik positif tersebar merata di
seluruh bagian atom
2. Muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar di antara
muatan-muatan positif, seperti bijih-bijih dalam buah semangka.
Model ini gagal karena tidak sesuai dengan hasil percobaan hamburan patikel
Rutherford.
oleh
Model Atom Rutherford
1. Semua muatan positif dan sebagian besar massa atom berkumpul pada sebuah titik di
tengah-tengah atom, yang disebut inti atom
2. Inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak relatif jauh, seperti planet-planet
mengitari Matahari dalam tata surya.
Model ini gagal menjelaskan :
1. kestabilan atom, dan
2. spektrum garis atom hidrogen
http://atophysics.wordpress.com
2
Model Atom Bohr:
Model atom Bohr terdiri dari tiga postulat
Postulat pertama
: elektron tidak dapat berputar mengelilingi inti atom melalui setiap
orbit namun hanya melalui orbit-orbit tertentu tanpa membebaskan
energi
Postulat kedua
: elektron dapat pindah dari satu orbit ke orbit yang lainnya dengan
membebaskan atau menerima energi
Postulat ketiga
: orbit-orbit yang diperkenankan ditempati oleh elektron adalah orbit
yang momentum sudutnya merupakan kelipatan bulat dari
h
,
2π
ditulis
mvrn = n
h
2π
Model atom ini mempunyai kelemahan yaitu :
1. tidak dapat menjelaskan efek Zeeman;
2. tidak dapat menjelaskan anomali efek Zeeman (AEZ) atau struktur halus;
3. tidak dapat menjelaskan spektrum dari atom-atom berelektron banyak;
4. melanggar prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Model Atom Mekanika Kuantum ( Model atom mekanika gelombang)
Merupakan sumbangan dari: Louis de Broglie, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg
,Erwin Schrödinger , dan Max Born .Inti dari model atom ini adalah persamaan
Schrödinger.
Penjelasan postulat kuantisasi momentum sudut Bohr :
Bohr mengajukan postulat kuantisasi momentum sudutnya, mvrn = n
h
, begitu saja
2π
tanpa memberikan alasan fisis sama sekali.
Louis de broglie dengan teori gelombang-partikelnya menjelaskan bahwa: partikel
(misalnya elektron) yang bergerak dengan kecepatan v kemungkinan memiliki sifat
gelombang dengan panjang gelombang, , yang sesuai. Pernyataan ini dirumuskan
sebagai :
Persamaan de Broglie : λ =
h
h
=
p mv
Hipotesis ini telah diuji oleh Davidsson-Germer dan G.P.Thomson yang membuktikan
adanya pola difraksi pada elektron seperti pada gelombang
http://atophysics.wordpress.com
3
Prinsip ketidakpastian Heisenberg
Tidak mungkin kita mengetahui posisi partikel secara teliti dan momentum partikel
secara teliti pada saat yang bersamaan. Berdasarkan prinsip ini, berarti kita tidak dapat
mengetahui lintasan elektron secara pasti seperti yang dikemukakan oleh Bohr, inilah
yang menyebabkan teori atom Bohr melanggar Prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Yang dapat ditentukan hanyalah orbital. Orbital adalah daerah kebolehjadian terbesar
untuk menemukan elektron (Gambar 9.24) Orbital bukanlah bidang tetapi sebuah ruang,
kira-kira mirip dengan lapisan-lapisan kulit bawang.
Persamaan Gelombang Schrödinger
1. Gelombang elektron dapat dijelaskan oleh suatu fungsi matematik yang
memberikan amplitudo gelombang pada titik apa saja dalam ruang. Fungsi ini
disebut fungsi gelombang dan dilambangkan oleh huruf Ψ (psi).
2. Kuadrat fungsi gelombang Ψ 2 , memberikan peluang (probabilitas)
menemukan elektron pada titik apa saja dalam ruang. Tidaklah mungkin
menyatakan secara tepat di mana lokasi elektron bila elektron dipandang
sebagai gelombang. Model gelombang ini tidak bertentangan dengan prinsip
ketidakpastian Heisenberg karena model ini tidak mendefinisikan lokasi
elektron secara pasti
3. Ada banyak fungsi gelombang yang deskripsi gelombang elektronnya dalam
suatu atom dapat diterima. Setiap fungsi gelombang ini dikarakteristikkan oleh
sekumpulan bilangan-bilangan kuantum. Nilai-nilai bilangan kuantum berkaitan
dengan bentuk dan ukuran gelombang elektron dan lokasi elektron dalam ruang
tiga dimensi.
Berdasarkan hasil persamaan Schrödinger ,kemungkinan cara terbaik untuk
memvisualisasikan (menggambarkan) sebuah elektron dalam sebuah atom adalah
seperti sebuah awan bermuatan negatif yang didistribusi di sekitar inti atom. Awan
ini disebar menjauhi inti dalam kesebandingan dengan nilai Ψ 2 dari tiap lokasi.
Bilangan Kuantum
Dalam model atom mekanika kuantum, untuk menetapkan keadaan
stasioner elektron diperlukan empat bilangan kuantum. Keempat bilangan
kuantum tersebut adalah:
1. bilangan kuantum uatama (simbol n),
2. bilangan kuantum orbital (simbol l )
3. bilangan kuantum magnetik (simbol ml),
4. bilangan kuantum spin (simbol ms).
Bilangan kuantum utama
Energi total elektron dalam atom seperti hidrogen adalah kekal dan terkuantisasi hanya
oleh bilangan kuantum utama n. Nilai bilangan kuantum utama adalah bulat mulai dari
1 sampai ~.
Bilangan kuantum utama
n = 1, 2, 3, ...~ (9-36)
Orbit tempat elektron bergerak disebut kulit dan diberi nama dengan huruf
besar K, L, M, N, O, ..... Kulit dengan n = 1 diberi nama kulit K; kulit dengan n = 2
diberi nama kulit L; kulit dengan n = 3 diberi nama M; dan seterusnya (lihat tabel)
http://atophysics.wordpress.com
4
Bilangan kuantum orbital
Bilangan kuantum orbital muncul karena teramatinya efek Zeeman yaitu garisgaris tambahan dalam spektrum emisi jika atom-atom tereksitasi diletakkan dalam
medan magnetik luar homogen (lihat gambar)
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan oleh orbit lingkaran Bohr karena orbit
lingkaran hanya mempunyai satu vektor momentum sudut. Berdasarkan efek Zeeman,
Arnold Sommerfeld mengusulkan orbit elips selain orbit lingakaran (orbit lingkaran
adalah keadaan khusus dari orbit elips). Dengan orbit elips, orientasi lingkaran bisa
lebih dari satu, untuk menyatakan keadaan ini diperlukan dua lagi bilangan kuantum
yang menyatakan vektor momentum sudut orbital, yaitu bilangan kuantum orbital dan
bilangan kuantum magnetik.
Bilangan kuantum orbital (bilangan kuantum azimut), diberi lambang l,
menentukan besar momentum sudut elektron (L). Nilai l dibatasi nilai n, yaitu mulai
dari nol sampai (n-1)
Bilangan
Kuantum
Orbital
l = 0, 1, 2, 3, ....(n-1)
(9-37)
Menghitung besar momentum sudut elektron (L) dari bilangan kuantum
orbital ( l ) diturunkan dari persamaan Schrödinger, memberikan
L=
l (l + 1).h ; h =
h
2π
(9-38)
Tabel berikut merupakan nama subkulit beserta bilangan kuantumnya
Gabungan bilangan kuantum utama n dan bilangan kuantum orbital l sering
digunakan untuk menyatakan keadaan atomik, misalnya n = 2, l = 0 menyatakan
keadaan 2s, dan seterusnya
Notasi simbolik keadaan atom sampai dengan n = 6, l = 5
http://atophysics.wordpress.com
5
Bilangan kuantum magnetik
Momentum sudut adalah besaran vektor yang arahnya dinyatakan oleh kaidah tangan
kanan :
Jika putaran keempat jari yang dirapatkan merupakan arah putaran elektron,
maka arah jempol menyatakan arah momentum sudut (lihat gambar)
Untuk menyatakan momentum sudut diperkenalkan bilangan kuantum magnetik, diberi
lambang ml. Nilai ml dibatasi oleh nilai l, yaitu bilangan bulat mulai dari –l sampai +l
Bilangan
Kuantum
ml = -l, …., 0,.....,0, +l
Magnetik
Dari persamaan tersebut, dapat pula diperoleh
Banyak nilai
ml yang
diperbolehkan
banyak ml = 2l + 1
Misalnya,
untuk l = 0, banyak ml adalah 2(0) + 1 = 1
Bilangan kuantum spin
Terpecahnya garis-garis spektra pada atom lebih dari yang diprakirakan disebut
sebagai Anomali Efek Zeeman (AEZ)
Terjadinya AEZ dapat dijelaskan Pauli dengan menyatakan hipotesis bahwa
terjadinya AEZ karena adanya rotasi tersembunyi yang mengahsilkan momentum sudut
tambahan, kemudian ia mengusulkan bilangan kuantum yang keempat yang hany boleh
memiliki dua nilai supaya dapat menjelaskan AEZ.
Goudsmit dan Uhlenbeck kemudian mengusulkan bahwa rotasi tersebunyi ini
disebabkan oleh momentum sudut intrinsik dalam elektron itu sendiri, (bukan oleh
momentum sudut orbital). Momentum sudut intrinsik dikaitkan dengan elektron yang
berputar pada porosnya sendiri (mirip dengan rotasi Bumi pada porosnya sendiri) dan
karena itu disebut spin elektron.
Momentum sudut spin hanya memiliki dua orientasi (dua arah), ditentukan oleh
bilangan kuantum magnetik spin (bilangan kuantum spin), diberi lambang ms yang
hanya boleh memiliki dua nilai +
1
1
atau −
2
2
http://atophysics.wordpress.com
6
Bilangan
kuantum
ms = ±
1
2
spin
Momentum sudut spin dapat dilihat pada gambar
Rangkuman keempat bilangan kuantum
Tingkat-tingkat Energi Atom Hidrogen
Energi atom hidrogen (berelektron tunggal) hanya bergantung pada nilai bilangan
kuantum utama dari fungsi gelombang elektron.
En = −
13,6
eV
n2
Rumus ini menunjukkan jika bilangan kuantum utama n sama maka dimanapun subkulit
atau orbital yang ditempati elektron, atom memiliki energi tepat sama (lihat gambar)
Konfigurasi Elektron untuk Atom Berelektron Banyak
Pada diagram tingkat energi atom hidrogen (hanya memiliki sebuah elektron), orbitalorbital dari kulit sama. Untuk atom berelektron banyak, ada tolak menolak anatar
elektron-elektron. Sebagai akibatnya, terjadi pemisahan terjadi pemisahan energi
subkulit (lihat gambar)
Berdasarkan pengamatan percobaan, urutan subkulit untuk diisi elektron adalah :
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p <
6s <4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d .....
Energi dari orbital-orbital yang berbeda hanya bergantung pada nilai-nilai bilangan
kuantum n dan l. Aturannya adalah :
1. Makin besai nilai (n + l ), makin besar energi subkulit.
2. Jika nilai ( n + l ) sama, maka energi lebih besar dimiliki oleh subkulit dengan n
lebih besar.
http://atophysics.wordpress.com
7
Agar lebih jelas, perhatikan tabel
Untuk memudahkan mengingat pengisian elektron, perhatikan gambar berikut
Pengisian subkulit secara berurutan seperti gambar adalah sebagai berikut:
Tampak bahwa tingkat-tingkat energi tertentu berkelompok dan antarkelompok
terpisahkan oleh celah energi yang agak besar (perhatikan gambar di bawah ini).
Gambar
Asas Larangan Pauli
Tidak ada dua elektron dalam sebuah atom yang dapat memiliki keempat
bilangan kuantum yang persis sama.
Aturan Hund
Aturan Hund menyatakan bahwa elektron-elektron yang mengisi orbital-orbital
dengan tingkat energi sama dalam suatu subkulit cenderung tidak berpasangan.
http://atophysics.wordpress.com
8
Elektron-elektron baru berpasangan apabila semua orbital dalam suatu subkulit telah
penuh diisi dengan spin sejajar.
Gambar
Orbital penuh dan setengah penuh
Hasil percobaan menunjukkan bahwa orbital yang terisi penuh dan orbital terisi
setengah penuh merupakan struktur yang relatif lebih stabil. Contoh :
5
1
4
1
24 Cr : [ Ar ].3d 4 s dan bukan [Ar] 3d 4 s
29
Cu : [ Ar ].3d 10 4 s 1 dan bukan [Ar] 3d 9 4 s 2
Aturan seleksi
Tidak semua transisi diperbolehkan terjadi. Dengan memecahkan persamaan
Schrödinger didapatkan bahwa transisi yang berpeluang paling besar untuk terjadi
adalah yang mengubah l sebanyak satu satuan. Dengan demikian aturan seleksi yang
berlaku adalah
∆l = ±1
Energi Ionisasi dan Afinitas Elektron.
Pengertian energi ionisasi
Enegi ionisasi adalah Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan sebuah elektron yang
tidak erat terikat dalam atomnya dalam keadaan gas.
Energi ionisasi golongan gas mulia adalah yang paling besar karena ada celah
energi yang cukup lebar(besar) terhadap kelompok dari subkulit berikutnya. Oleh
karena itu diperlukan energi yang cukup besar untuk mengeluarkan elektron pada
subkulit terluar ini..
Sebaliknya, Golongan logam alkali, yaitu : Li, Na, K, Rb, dan Cs, kulit
terluarnya hanya terdiri dari satu elektron, dan untuk mengeluarkan elktron terluar ini
tidak diperlukan energi yang besar, sehingga elektron terluar ini mudah dilepaskan,
sehingga golongan logam alkali ( golongan IA) mempunyai energi ionisasi paling
rendah.
Afinitas elektron
Afinitas elektron adalah proses pembentukan ion negatif disertai dengan pembebasan
energi. Jadi afinitas elektron adalah besarnya elektron yang dibebaskan ketika sebuah
atom netral menangkap elektron untuk membentuk ion negatif.
http://atophysics.wordpress.com